Como parte de un proyecto financiado por la UE, los investigadores están miniaturizando la tecnología para su uso en clavos intramedulares delgados (IMN), que proporcionan soporte interno y estabilidad durante el proceso de curación.
Si se rompe uno de los huesos largos del cuerpo, como la tibia, es probable que el cirujano utilice una varilla estabilizadora, conocida como clavo intramedular, para sostener el hueso mientras se cura. El «clavo» largo o varilla se inserta cuidadosamente en el hueso a través de la cavidad medular central llena de médula, estabilizando el hueso y permitiéndole curarse. En comparación con la colocación de una placa ortopédica, que se fija al hueso desde el exterior, el proceso de inserción de un INM es generalmente menos invasivo, ya que no es necesario abrir el lugar de la fractura en una operación. Por lo general, todo lo que se requiere es una pequeña incisión en el extremo del hueso afectado. «El tejido y la circulación sanguínea alrededor del lugar de la fractura no se ven comprometidos, lo que es beneficioso para la curación. Nuestros pacientes pueden apoyar inmediatamente el peso sobre la pierna después de la cirugía, lo que facilita la movilidad y reduce las complicaciones postoperatorias», explica Bergita Ganse, experta en curación de fracturas y profesora de Desarrollo de Implantes Innovadores en la Universidad del Sarre.
Junto con un equipo de ingenieros dirigido por los profesores Paul Motzki y Stefan Seelecke en el Centro de Tecnología de Mecatrónica y Automatización (ZeMA), la cirujana traumatóloga Ganse está trabajando para dotar a estos clavos intramedulares de nuevas propiedades. Al transmitir de forma permanente los datos de medición de la brecha de la fractura, este nuevo tipo de IMN permite a los médicos controlar desde el principio si el hueso se está curando correctamente. Hasta ahora, los médicos solo podían obtener una instantánea ocasional de las imágenes de rayos X del lugar de la fractura. Otra característica de esta nueva tecnología es la capacidad del INM para endurecerse o relajarse en el lugar de la fractura. Si el paciente quiere caminar, tiene toda la estabilidad que le proporciona el clavo intramedular rígido; si está en reposo, sin embargo, puede hacer que se ablande a través de una aplicación en su teléfono. «Nuestro objetivo es crear un clavo intramedular que promueva activamente la curación. Estamos desarrollando un INM que estimulará el crecimiento de nuevo tejido óseo mediante un micromasaje de la brecha de la fractura», dice Bergita Ganse.
Esto es algo que el equipo de investigación ya ha logrado con las placas de fijación ortopédicas. Las placas son capaces de medir las fuerzas que actúan en la brecha de la fractura y pueden flexionarse independientemente unas de otras, optimizando así la carga aplicada y mejorando el proceso de curación. El equipo lleva más de cinco años desarrollando estos implantes inteligentes como parte de un proyecto de 8 millones de euros financiado por la Fundación Werner Siemens.
Los investigadores están ahora miniaturizando la tecnología para que pueda utilizarse también en clavos intramedulares. «Los resultados y la experiencia que hemos adquirido con las placas de fijación se están incorporando ahora a los nuevos implantes», explica Paul Motzki, profesor de Sistemas de Materiales Inteligentes para la Producción Innovadora en la Universidad del Sarre y director general de ZeMA. El proyecto actual está financiado por la UE en el marco del programa Horizonte Europa como parte del proyecto de investigación SmILE (Smart Implants for Life Enrichment), dotado con 21 millones de euros, en el que 25 instituciones asociadas de doce países europeos están investigando cómo proteger a las personas mayores de los trastornos musculoesqueléticos.
El equipo de ingeniería dirigido por Paul Motzki y Stefan Seelecke tuvo que idear una serie de ideas innovadoras para adaptar la tecnología al interior del clavo intramedular, que solo mide unos pocos milímetros de ancho. Paul Motzki explica uno de los retos: «Tenemos que asegurarnos de que el mecanismo que hace que el implante se endurezca precisamente en el lugar de la fractura no provoque ningún engrosamiento en ese punto, ya que esto podría dañar gravemente el ya frágil lugar de la fractura». La solución a este problema dio lugar al desarrollo de un mecanismo de movimiento patentado. Dos actuadores en miniatura que funcionan en direcciones opuestas están configurados de manera que uno de ellos tira de una varilla con una cabeza cónica hacia la abertura de un manguito blando y elásticamente flexible. Una vez en posición, la cabeza cónica se mantiene firmemente en su sitio y luego el segundo actuador la retira del manguito. Cuando la cabeza cónica se inserta en el interior del manguito elastomérico, la IMN se endurece en este punto, pero no aumenta de tamaño. Cuando la varilla se retrae del manguito, la IMN vuelve a ablandarse.
Los actuadores en este caso son haces de cables ultradelgados hechos de aleación de níquel-titanio con memoria de forma. «Utilizamos estos haces de cables como accionamientos capaces de ejercer una fuerza dirigida dentro de un espacio restringido, lo que en este caso nos permite manipular la varilla dentro de la cavidad intramedular. Estos actuadores son capaces de ejercer fuerzas extraordinariamente grandes para su tamaño. De hecho, el alambre de níquel-titanio tiene la mayor densidad de energía de todos los mecanismos de accionamiento conocidos», explica el profesor Motzki. El alambre puede contraerse aplicando breves impulsos de corriente eléctrica; al desconectar la corriente, el alambre vuelve a su longitud original.
La razón de este comportamiento radica en la estructura cristalina de la aleación. «El níquel-titanio tiene dos estructuras de red cristalina que pueden transformarse entre sí», explica Paul Motzki. Una de las redes es más corta que la otra. Si la corriente eléctrica fluye a través del cable, el material se calienta, lo que hace que adopte la estructura cristalina con la red más corta y, por lo tanto, acorte el cable. Cuando se desconecta la corriente, el cable se enfría, el material cambia a la otra estructura reticular y el cable vuelve a su longitud original. Los investigadores utilizan haces de estos cables ultradelgados como músculos artificiales que utilizan para controlar pequeños componentes mecánicos. «La ventaja de utilizar haces de cables ultradelgados es que un haz tiene una gran superficie total y, por lo tanto, puede disipar el calor más rápidamente, lo que nos permite contraer los cables a alta frecuencia», afirma Paul Motzki. Tras años de investigación sobre aleaciones con memoria de forma, el equipo de Saarbrücken sabe cómo personalizar estos haces de cables para diferentes aplicaciones técnicas configurándolos cuidadosamente en términos de grosor y número de cables utilizados.
La tecnología de sensores necesaria para controlar el movimiento de la varilla a medida que se introduce o se retrae de la cavidad intramedular es suministrada por los propios actuadores. «Cuando los cables cambian de forma, también lo hace su resistencia eléctrica. Podemos asignar valores de resistencia precisos incluso a las deformaciones más pequeñas, y utilizamos estos datos para entrenar una red neuronal. La IA resultante es ahora tan buena que puede generar información posicional de manera eficiente y precisa incluso frente a influencias disruptivas», dice Motzki. «Nuestro enfoque nos permite extraer todos los datos sensoriales necesarios para controlar el movimiento del haz de cables», explica Susanne-Marie Kirsch, estudiante de doctorado en el grupo de Saarbrücken. Y debido a que esta tecnología es autosensora, los investigadores tienen un medio para monitorear el proceso de curación de la fractura. Incluso el más mínimo cambio en la brecha de la fractura produce un cambio en la resistencia de los alambres, lo que permite al personal médico ver si está creciendo nuevo tejido óseo en el lugar de la fractura.
Los aspectos clínicos del proyecto de investigación están gestionados por un equipo de investigación dirigido por Bergita Ganse. Su equipo está especializado en extraer información biomecánica de los datos de medición. Realizan análisis de la marcha, realizan simulaciones por ordenador y utilizan sistemas de inteligencia artificial para obtener los conocimientos médicos necesarios. Al controlar el aumento de la rigidez en el lugar de la fractura y utilizar mediciones del flujo sanguíneo, el equipo médico puede evaluar el progreso de la curación. También están interesados en comprender qué factores promueven la curación ósea. El objetivo es conseguir que los actuadores utilizados en las IMN realicen movimientos coordinados con precisión que promuevan el crecimiento del tejido óseo. «Tenemos que construir el implante de tal manera que pueda realizar los micromovimientos y los cambios de presión necesarios para favorecer la curación», explica la profesora Ganse.
«El objetivo es que todo esté controlado por una aplicación en el teléfono del paciente para que, después de haber recibido instrucciones médicas, pueda ajustar el mecanismo por sí mismo», dice Paul Motzki. Los impulsos eléctricos que controlan el movimiento de los actuadores serán suministrados por una batería en el cuerpo que puede cargarse por inducción inalámbrica.
Los ingenieros de Saarbrücken quieren miniaturizar aún más su tecnología para que pueda utilizarse en huesos mucho más pequeños. «Nuestra tecnología es escalable. El próximo objetivo es desarrollar implantes inteligentes para su uso en cirugía maxilofacial, por ejemplo, en el tratamiento de fracturas de mandíbula», explica Paul Motzki.
El equipo de Paul Motzki y Stefan Seelecke presentará su tecnología y hará una demostración de los prototipos de estos implantes médicos inteligentes en la Feria de Hannover de este año.
Antecedentes
El equipo de investigación dirigido por Stefan Seelecke y Paul Motzki utiliza la tecnología de memoria de forma para una amplia gama de aplicaciones, desde innovadores sistemas de refrigeración y calefacción hasta pinzas robóticas, válvulas y bombas. En la Feria de Hannover, los expertos en sistemas de materiales inteligentes con sede en Saarbrücken harán una demostración de accionamientos inteligentes en miniatura, sistemas de pinzas robóticas de bajo consumo y un novedoso sistema de refrigeración y calefacción elastocalórico. La tecnología está en continuo desarrollo por parte de estudiantes de doctorado que están llevando a cabo investigaciones como parte de sus proyectos de tesis doctoral. El trabajo de investigación se financia a través de una serie de proyectos de investigación a gran escala y los resultados se han comunicado ampliamente en revistas científicas de gran impacto, con numerosos artículos que han recibido reconocimiento internacional.
Para facilitar la transferencia de su investigación basada en aplicaciones a aplicaciones comerciales e industriales, los investigadores crearon la empresa «mateligent GmbH».
ZeMA, el Centro de Tecnología Mecatrónica y de Automatización de Saarbrücken, es un centro de investigación para proyectos colaborativos en los que participan investigadores de la Universidad de Saarland, la Universidad de Ciencias Aplicadas de Saarland (htw saar) y socios industriales. ZeMA se centra en el trabajo de desarrollo de relevancia industrial destinado a transferir ideas y tecnología de la investigación académica al sector industrial.
